毕业设计（论文）-基于分布式温度传感器的3路循环监测系统.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1 1 页页 共共 2 2 页页 目 录 1 绪论 .1 1.1 课题的提出 .1 1.2 目前常用的电缆温度监测方法 .2 1.2.1 感温电缆式测温系统.2 1.2.2 热敏电阻式测温系统.2 1.2.3 光纤分布式温度监测系统.2 1.3 课题的内容 .3 2 系统的总体设计 .4 2.1 系统的总体设计思想 .4 2.2 方案论证与选择 .5 3 系统器件选择 .7 3.1 选择单片机 .7 3.2 选择温度传感器 .10 3.2.1 DS18B20 的简单介绍.10 3.2.2 单总线技术.10 3.2.3 DSISB2O 内部结构.12 3.2.4 DSISB2O 测温原理.14 3.2.5 DSISB2O 温度的转化.14 3.2.6 DSISB2O 的工作过程.16 3.3 报警模块器件选择 .18 3.4 显示模块器件选择 .20 3.5 单片机与主机的接口模块器件选择 .23 4 系统的硬件设计 .25 4.1 系统的整体结构 .25 4.2 单片机最小系统设计 .25 4.3 DSISB2O 的接口电路.26 4.4 电源电路 .26 4.5 显示电路 .28 4.6 串口通讯电路 .28 4.7 报警电路 .30 4.8 按键电路设计 .30 5 系统的软件设计 .31 5.1 概述 .31 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 2 2 页页 共共 2 2 页页 5.2 主程序模块 .31 5.2.1 主程序设计.31 5.3 各模块流程设计 .32 5.3.1 温度检测流程.32 5.3.2 报警模块流程.33 5.3.3 按键扫描程序流程图.34 5.3.4 串口通信程序流程.34 5.3.5 中断服务程序流程.35 6 结论 .36 谢辞 .37 参考文献 .38 附录 1 程序清单.39 附录 2 原理图.47 附录 3 仿真图.48 附录 4 PCB 图 .49 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1 1 页页 共共 4949 页页 1 1 绪论 1.1 课题的提出 电缆在日常生产、生活中随处可见，在电厂、工厂、实验室通常将大量的电缆集 中敷设在电缆沟内，以方便布线、维护、美观。随着人们对电的依赖的增长，电缆沟 里的电缆越来越多，电缆沟越来越长。其火灾事故的发生几率也相应增加。电缆一旦 发生火灾，将造成大面积电缆烧损，短时间内无法恢复生产，经济损失重大。因此， 电缆的安全保护已成为不可忽视的问题。 国内，据有关资料统计，在 1975-1985 年间，因电缆着火造成的重大事故发生 60 起，造成直接和间接损失达 50 亿元。在 1986-1992 7 年间，仅我国火电厂发生电缆 火灾 75 次，其中有 24 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂达 4-6 次， 70以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中 2/5 的火灾事故造成特大损失。近 几年，因电线电缆发生的火灾事故更是屡见不鲜。1999 年牡丹江第二发电厂因电缆沟 火灾，导致全厂停电，直接、间接损失达千万元。2000 年北京高能物理所的正负电子 对撞机监视机房因电缆沟起火被迫停机，严重影响了科研工作的进行。2001 年上海供 电局因电缆接头过热引起电缆隧道火灾，大面积电缆被烧损，导致市区大面积停电事 故。 国外，美国在 1965-1975 年统计的 3285 次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就 占 30.5%，直接损失约 4000 万美元。日本曾对电力、钢铁、石油化学、造纸等工厂企 业调查，有 78%的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占 40%。 通过多次事故分析发现，电缆沟内火灾发生的主要原因是由于动力电缆中间接头 制作质量不良所造成的，或压接不紧，或焊接不牢，或连接不好，或接头材料选择不 当，或受到损伤，造成运行中接头氧化、脱焊、局部发热或炸裂导致着火。而电缆中 间接头质量的好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。从 电缆接头过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢，时间较长。同时，电力电缆敷设 距离长、走向复杂，采取运行人员定期巡视的方法，巡视间隔、巡视的准确性等方面 都存在很多问题。 实际经验和理论分析均表明，电缆接头处发生的各类故障不是一个突发过程，通 常因为温度不断升高，使绝缘逐步老化、泄漏电流逐步增加，到达一定程序后再发生 击穿，是一个由量变到质变的过程。因而，连续监测电缆接头温度的变化，就可以全 面地了解其工作状况，根据情况适时进行停电检修。特别当发现某个接头温度过高(超 过预先设定值)或变化过快时，说明此处的绝缘已比较薄弱，继续运行可能引发严重故 障。此时及时发出报警信号，通知值班人员及时处理，可以有效地避免严重故障的发 生，确保系统安全、可靠地工作。 本文根据电缆接头的运行特点和要求，设计出了集测量、显示、报警和远传通信 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 2 2 页页 共共 4949 页页 2 等多项功能于一体的集散式电力电缆接头温度监测系统。本次设计了一个基于分布式 温度传感器的 3 路循环监测系统。如今，该分布式温度传感器不仅在电力工业上应用， 同时还在煤矿、森林火灾、高层建筑、航空、航天飞行器等有着重要的应用前景。本 系统使用美国 Dallas 半导体公司新一代数字式温度传感器 DS18B20，它具有独特的单 总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测 温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时的 A/D 转 换以及其它复杂的外围电路的缺点。 本设计以 AT89S52 单片机为控制核心，提出基于 DS18B20 的分布式温度系统，3 个 传感器通过单总线与单片机相连形成分布系统。单片机通过实时监控温度变化，通过 LCD1602 显示各节点的温度数值，当温度超过允许范围时，蜂鸣器报警，从而远程实现 整个温度的管理和控制。这种分布式温度测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统 稳定、易于管理等优点。 1.2 目前常用的电缆温度监测方法 电缆温度检测技术在国内外已经发展了很多年，但是均采用有线连接的方式，现 场已有许多产品在使用。目前常用的电缆温度监测方法包括：感温电缆式测温系统、 热敏电阻测温系统和光纤分布式温度监测系统等 1.2.1 感温电缆式测温系统 将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，感温电缆被短路。 系统仅能一次使用，不能测出电缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护 工作不够方便，设备易损坏：不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度 趋势分析。 1.2.2 热敏电阻式测温系统 可以显示温度值，但都是模拟量输出，需要进行信号的放大和 A/D 转换，方能被 单片机接收。每一个热敏电阻的温度值都需要经过上述环节进入系统，都需要独立的 接线、布线，一个电缆沟通常需要测试少则几十个点，多则几百个点，需要成百上千 条信号线。如果要增加测试路数，那么必定要增加放大器和 A/D 转换器的个数，接线 将十分复杂。它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大。同时， 系统环节多，维护量大，传感器不具备自检功能，需要经常校验，因此不常采用。 1.2.3 光纤分布式温度监测系统 利用 1 根光纤充当分布式温度传感器，能测量数千个独立的测量点的温度。通过 分析在光纤中传输的激光脉冲产生的拉曼(Raman)后向散射光信号来完成对温度的测量。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 3 3 页页 共共 4949 页页 3 最新的使用多模光纤的分布式温度测量系统，允许光纤长度达到 12km。分布式温度监 测系统为实现热点位定位，要求这种系统在安装时就能够确定热点的位置，依赖预先 测量和维护经验。同时，电力传输网中包含了数目巨大的电缆线路，其光纤线路总长 度也是一个不小的数字。 除了上述几种监测方法外，还有一部分工厂不惜大量资金进行电缆沟的防火封堵 及普通消防报警装置，但是电缆沟火灾仍有发生，这些措施只能起到电缆着火后减轻 事故范围的作用，没有从根本上限制减少火灾的发生。 因此，研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温 度变化，在温度越限或温升速度越限时能及时报警，并指出发热点位置（温度探头位 置） ，通知运行人员及时处理，从而保证运行安全，避免经济损失，这才是从根本上限 制电缆沟内火灾发生的有效可行的方法。 1.3 课题的内容 本设计主要针对电缆的防火问题，阐述了一个完整的电缆温度在线监控系统的软、 硬设计过程，本系统采用的是新型智能化温度传感器 DS18B20，能以数字形式直接输出 被测点温度值，测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、成本低。 本系统设计了一个由数字化测温元件构成的温度检测报警系统，包括温度检测， 温度显示，温度报警等部分。能实时监控电缆接头的温度变化，大体思路是通过温度 传感器测温经单片机送液晶显示，超过设置温度，蜂鸣器报警。主要设计内容如下： (1)设计 3 个测温点，可以同时测量三个温度点。该系统可以扩充。 (2)测温采用专用的数字温度传感器巡回检测其温度，进行集中管理。 (3)单片机进行温度数据收集，通过液晶显示。 (4)设置允许最高温度，当大于这一温度时，蜂鸣器报警，点亮对应的发光二级管。 (6)程序采用 C 语言编写。 实际应用中在每根电缆中间接头处安装一个温度传感器，传感器输出信号通过辅 助电缆传送至电缆接头较近的前置测量单元。根据电缆接头埋地分布情况的不同，每 个前置单元可与 848 个传感器连接。前置单元的监测处理结果就可以显示打印、越 限报警、也可以通过 RS-232 或其他类型的通信网络传输至安装在主控室或调度中心的 监测主机。该主机还可以通过局域网或 Internet 网与其它计算机相连，使有关人员均 能够通过网络了解整个系统监测电缆接头的工作状况。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 4 4 页页 共共 4949 页页 4 2 系统的总体设计 在本章中将进行系统的总体方案设计，以便在后续的章节中选择合适的单片机、 温度传感器、显示器件及外围部件，完成具体的硬件设计。在总体设计方案中，应考 虑以下几点： (l)系统能方便、直观、有效的监控电缆温度变化； (2)系统必须能够实时采集电缆接头处的温度值，并且迅速处理； (3)系统能够将数据处理结果显示给用户，还要能够存储结果，以方便以后对比研 究； (4)系统的经济性、可靠性要求； (5)测温点多，要易于扩充； (6)操作和维护方便。 2.1 系统的总体设计思想 根据生产现场实际，电力电缆火灾在线监测系统设计成分散测量、集中监视的系 统结构。本次设计的是一个数字温度测量及控制系统，能测电缆的温度，并能在超限 的情况下进行控制、调整、并报警以保证环境在限定的温度中。设计包括软件设计和 硬件设计两方面，软件设计包括单片机控制程序和串口通信的实现程序。硬件上主要 由以下五部分组成： (1)核心控制器：采用单片机； (2)温度采集模块：采用 DS18B20 温度传感器； (3)温度显示模块：采用 LCD1602 液晶显示器； (4)温度报警模块：采用蜂鸣器； (5)串口通信模块：采用 MAX232。 系统框图如图 2-1。 图 2-1 系统框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 5 5 页页 共共 4949 页页 5 该系统的设计思路如下：温度传感器 DS18B20 将所测的温度发送到 AT89S52 单片 机上，经过单片机的处理，再将所测温度一方面送液晶显示，另一方面通过 MAX232 串 口送 PC 机显示。此外当温度发生变化，超过设定的越限值时，触发了报警条件，单片 机启动报警。 2.2 方案论证与选择 设计方案的不同将直接决定硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思路。电 力电缆温度在线监测，它是一个数字温度控制系统巡回检测、实时监测系统，能测量 温度并能在超限的情况下报警。 在设计时应考虑以下两个方面： (1)应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度； (2)系统本身要具备一定的抗干扰能力，应在硬件和软件上引入各种抗干扰措施， 以增强它的稳定性和准确性。 对于本设计所涉及到的上述几个部分，其中硬件上温度采集、控制处理、显示、 报警等部分的方案已比较成熟，关键在于软件设计上，功能应强大，应寻找尽可能简 单完整的设计思路，保证程序易于修改、调试。对于温度采样和测试部分，有以下几 种方案可供选择。 第一种方案：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热电偶，热 电偶由两个焊接在一起的金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势 和单一导体的温差电势组成。通过参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断 出检测结点的温度。数据采集部分采用带有 A/D 通道的单片机，再将随被测温度变化 的电压或电流信号采集过来。这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及 A/D 转换电路，由单片机控制多通道 A/D 转换，分时对电压或电流信号进行循环采样和 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据处理，显示在电路上，即可将被测温度显示出来。 这种方案是单片机处理非电信号的传统方法。 该方案优点：热电偶的测温范围非常宽，体积小，选用合适的测温元件可以检测- 200+3000的温度。 该方案缺点：存在着输出电压小，容易遭受外来导线环路的噪声影响以及漂移较 高；这种设计单片机外电路复杂，因为多路温度需要多个模拟开关，不管是通用的并 行、串行总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常 复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D 转换器要占用多个 I/O 口向单片机输入多位的数字量，这无疑使得有限的 I/O 口在设计时显得较为局促；软 件工作量大，且功耗也较大，线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，这种方案 的性能价格比较低。 第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 6 6 页页 共共 4949 页页 6 AD590、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数 据的采集和转换。以AD590为例，它的测温范围为-55+l50，工作电压为 4+30V。传统的多点温度检测系统大都采用模拟温度传感器（如AD590）,一般经前 端放大、A/D转换和数据修正等过程。 该方案的优点是：有较高的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控 制。远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因此不需要精 密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线 性电路。 该方案的缺点是：经实践应用发现：传统电路设计上存在电源干扰、滤波不可靠、 线路过于复杂、无屏蔽措施等不可靠因素。同时它仍然具有单片机处理多个模拟信号 的缺点：电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多的I/O口线。 第三种方案：随着传感器技术的发展，己经出现了先进的数字式温度传感器。选 用先进的单总线数字式温度传感器DS18B20，可将温度直接转化为串行数字信号直接送 入单片机进行处理及控制。且该芯片的物理化学性很稳定，用它做测温元件，线性好。 在0-100时，最大线性偏差小于1。这种方案中的温度传感器的最大特点之一就是 兼有测温和A/D转换的功能。 该方案的优点是：采用单总线的数据输出，输出值是数字信号，所以不必使用A/D 转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字处理。这样测温系统的结构 就比较简单，体积也不大。同时采用51单片机来控制，软件编程自由度大，可通过编 程实现各种各样的算法和逻辑控制，硬件实现简单，安装方便。单总线上可以挂多片 DS18B20，单片机只需一根端口线就能与多片DS18B20进行通信。具有较好的线性关系、 较强的抗干扰能力、可靠性高、线路简单、测量精度高、功能便于扩展等优点。同以 上两种方案相比较有明显的优势和极其广泛的开发前景。 该方案的缺点是：测温范围较小，一般在-55125之间。 由于本课题的测温范围在常温区，比较以上三种方案的优缺点、综合考虑测温电 路的简单、系统的精确度、抗干扰能力、实现方便以及软件设计简单等方面的因素。 本次设计选用第三种方案最适合。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 7 7 页页 共共 4949 页页 7 3 系统器件选择 3.1 选择单片机 本设计选用 AT89S52 单片机，AT89S52 8 位单片机是 MCS-51 系列产品的升级，由 世界著名半导体公司 Atmel 在购买 MCS-51 设计结构之后，利用自身优势(掉电不丢数 据)闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到 成型产品。 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存 储器。使用 Atmel 公司高精度非易失性存储器技术制造，亦适于常规编程器。在单芯 片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应 用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8K 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，3 个 16 位定时 器/计数器。1 个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52 可降至 0HZ 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计使用双列直插 DIP-40 的 封装。引脚图如 3-1 所示。 图 3-1 AT89S52 引脚结构图 AT89S52 的主要特性是: (1)与 MCS-51 单片机产品兼容 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 8 8 页页 共共 4949 页页 8 (2)8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 (3)1000 次擦写周期 (4)全静态操作：0Hz33Hz (5)三级加密程序存储器 (6)32 个可编程 I/O 口线 (7)三个 16 位定时器/计数器 (8)八个中断源 (9)全双工 UART 串行通道 (10)低功耗空闲和掉电模式 (11)掉电后中断可唤醒 (12)看门狗定时器 (13)双数据指针 (14)掉电标识符 AT89S52 引脚功能描述: (1)P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数 据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉 电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 (2)P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流(IIL)。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入(P1.0/T2)和时 器/计数器 2 的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2(定时器/计数器 T2 的外部计数输入)，时钟输出 P1.1 T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5 MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO（在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用) (3)P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流(IIL)。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器(例如执行 MOVX 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 9 9 页页 共共 4949 页页 9 DPTR)时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。 在使用 8 位地址(如 MOVX RI)访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 (4)P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流(IIL)。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在 flash 编程和校 验时，P3 口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能 P3.0RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 TO(定时/计数器 0) P3.5 T1(定时/计数器 1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。 (5)RST复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 是单片机复位。 (6)ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固 定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部 数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 FLASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编 程脉冲(PROG)。如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的 8EH 单元的 D0 位置 位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此 外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。 (7)PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出 两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 (8)EA/VPP外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器(地址为 0000H- FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时 内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平(接 Vcc 端)，CPU 则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储器 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1010 页页 共共 4949 页页 10 编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程 电压 Vpp。 3.2 选择温度传感器 3.2.1 DS18B20 的简单介绍 (1)最新单总线数字温度传感器 DS18B20 是一种新型的“一线器件” ，其体积更小、 更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感 器 DS18B20 是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为- 55+125，可编程为 9 位12 位转换精度，测温分辨率可达 0.0625 摄氏度，分辨率 设定参数以及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符 号扩展的 16 位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生 电源方式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与 诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此 用它来组成一个测温系统，线路简单。一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计， 十分方便。 (2)DALLAS 半导体公司提供了先进的数字式温度计 DS1820 系列。该系列采用了不 同的原理，利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现 温度测量。输出值是数字信号，所以不必使用 A/D 转换器和相关的接口芯片，直接送 入单片机进行数字处理，为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了低温系数振荡器和 一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器来改善线性。其中 DS18B20 是常用的温度传感器，它采用一根 I/O 数据线传输数据和命令，售价低廉，是 DS1820 的改进型产品。现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使你可以充 分发挥“一线总线”的长处。 由于 DS18B20 将温度传感器、信号放大调理、A/D 转换、接口全部集成于一芯片， 与单片机连接简单、方便，与 AD590 相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器 采用 DS18B20。 3.2.2 单总线技术 DS18B20 与单片机是单总线连接方式，在此介绍一下这种总线及其应用情况。 单总线及相应的芯片是美国 DALLAS 半导体公司近年推出的新技术，是只有一个总 线命令者和一个或多个从者组成的计算机应用系统。它只定义了一根信号线，总线上 的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数据线、控制线 合为一根信号线对外进行数据交换。为了区分这些芯片，厂家在生产每个芯片时，都 编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。这样做能使这些器件挂在一根 信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1111 页页 共共 4949 页页 11 厂家对每个芯片用激光刻录的一个 64 位二进制 ROM 代码。从最低位开始，前 8 位 是族码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的序列号；最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码。CRC(Cyclic Redundancy Check)称为冗余码检测，是数据通信中校 验数据传输是否正确的一种方法。在使用时，总线命令者读入 ROM 中 64 位二进制码后， 将前 56 位按 CRC 多项式计算出 CRC 值，然后与 ROM 中高 8 位的 CRC 值比较，若相同则 表明数据传送正确，否则要求重传。48 位序列号是一个 15 位的十进制编码，这么长的 编码完全可以为每个芯片编制出全世界唯一的号码，也称之为身份证号，可以被寻址 识别出来。此外，芯片内还含有收、发控制和电源存储电路，其示意图如图 3-2 所示 图 3-2 单总线芯片的入口示意图 系统按单总线协议规定的时序和信号波形进行初始化、识别器件和进行数据交换。 单总线系统中配置的各种器件由美国 DALLAS 半导体公司提供的专用芯片来实现。这些 芯片采用 CMOS 技术，耗电量都很小，从单总线上“偷”一点电（空闲时几 pw,工作时 几 mw）存在芯片内电容中就可以正常工作了，故一般不用另附电源。单总线上通常处 于高电位（5V 左右） ，每个器件都能在需要时驱动它。因此，挂在总线上的每个器件必 须是漏极开路或者是三态输出，这样，不工作时不会给总线增加功耗。 单总线技术作用距离在单片机直接驱动下可达 200m，经扩展可达 1000m，允许挂 上百个器件，能满足一般测控系统的要求。单总线的数据传输有两种模式，通常以 13.6kb/s 的速率通信，超速可达 142kb/s。因此只能用于速度不高的场合，一般用于 1Mb/s 以下速率的测控或数据交换系统。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1212 页页 共共 4949 页页 12 图 3-3 单总线的时序波形图 程序必须保证数据的可靠传送，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。 操作时一般有经下四个过程：初始化；传送 ROM 命令；传送 RAM 命令；数据 交换。 单总线上所有处理都从初始化开始。初始化时序由总线命令者发出的复位脉冲和 一个或多个从者发出的应答脉冲组成。 “应答脉冲”是从者让总线命令者知道某器件是 在总线上，并准备工作，当总线命令者检测到某器件的存在，就会发出传送 ROM 功能 命令.其信号波形如图 3-3 所示。 单总线命令者首先必须发送 7 个 ROM 功能命令中的一个命令： 读 ROM（总线上只有一个器件时） ； 匹配 ROM（总线上有多个器件时，寻址某个器件） ； 查找 ROM（系统首次启动后，须识别总线上各器件） ； 跳过 ROM（总线上只有一个器件时，可跳过读 ROM 命令直接向器件发送命令，以 节省时间） ； 超速匹配 ROM（超速模式下寻址某个器件） ； 超速跳过 ROM（超速模式下跳过读 ROM 命令） ； 条件查找 ROM（只查找输入电压超过设置的报警门限值的某个器件） 。 当成功执行上述命令之一后，总线命令者可发送任何一个可使用的命令来访问存 储和控制功能，进行数据交换。所有数据的读写都是从最低位开始的。单总线传送数 据或命令是由一系列的时序信号组成的，单总线上共有 4 种时序信号： 初始化信号； 写 0 信号； 写 1 信号； 读信号。 每一种信号的波形参数（如脉冲上升时间、宽度和间隙等）都有所不同，设计中 应保证指令执行时间小于或等于时序信号中的最小时间，以确保严格的时间关系。单 总线技术比传统的方案具有较高的性能价格比，具有以下特点： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1313 页页 共共 4949 页页 13 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性。 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好。 具有 CRC 校验功能，可靠性高。 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 3.2.3 DSISB2O 内部结构 DS18B20 是美国 DALLAS 公司推出的一种可组网数字式温度传感器。它体积小，电 压 图 3-4 DS18B20 的管脚图 适用范围宽(3V5V，用户还可以通过编程实现 912 位的温度读数，即具有可调的温 度分辨率，因此它的实用性和可靠性比同类产品更高)。其管脚图见图 3-4。 图 3-4 中 GND 为地，DQ 为数据输入/出端(即单线总线)，该脚为漏极开路输出，常 态下呈高电平。VDD 是外部5V 电源端，不用时应接地。DS18B20 的内部主要包括寄生 电源、温度传感器、64 位激光 ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式 RAM，用于存储用户设定的温度上下限值的 TH 和 TL 触发器存储与控制逻辑、8 位循环 冗余校验码(CRC)发生器等） 。 由图 3-4 可见，DS18B20 只有一个数据输入/出口，属于单总线专用芯片之一。 DS18B20 工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干 扰能力。其内部采用在线温度测量技术，测量范围为-55+125，在-10十 85时，精度为土 0.5。每个 DS18B20 在出厂时都己具有唯一的 64 位序列号，因此 一条总线上可以同时挂接多 DS1SB2O，而不会出现混乱现象。 DS18B20 主要有 4 部分组成：64 位 ROM 温度传感器、非易失性的温度报警触发器 TH 和 TL 及高速便笺式存储器。 64 位 ROM 的结构如图 3-5 所示：其中 8bit 工厂代号为标识产品类型，48 位序列 号用来标识不同的探测器。 图 3-5 64 为 ROM 结构 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1414 页页 共共 4949 页页 14 DS18B20 的内部存储结构如图 3-6 所示： 图 3-6 DS18B20 的内部存储结构 3.2.4 DSISB2O 测温原理 DS18B20 的测温原理图如图 3-7 所示，他没有采用传统的 A/D 转换原理，如逐次逼 近法、双积分法和算术 AID 等，而是运用了一种将温度直接转换为频率的时钟计数法。 图 3-7 DS18B20 的测温原理图 图 3-7 中低温系数振荡器的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲 信号送给减法计数器 1；高温系数振荡器温度变化随其振荡频率明显改变，所产生的信 号为减法计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在-55所对应的基数值。 计数器 1 对低温系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器中的值将加 1，计数器 1 的预置值将被重新装入，计数器 1 从新开始 对低温度系数振荡器产生脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器 2 计数到 0 时， 停止温度寄存器的值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度，斜率累加器用 于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器 1 的预置值。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1515 页页 共共 4949 页页 15 3.2.5 DSISB2O 温度的转化 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用